（环境工程专业论文）硝化细菌制剂对水华藻类生长的影响研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 细菌和藻类共同参与水生态系统中的营养再生和物质循环，研究菌藻之间的 关系对凋控水生态系统具有重要的意义。本论文通过菌藻共同培养，研究了硝化 细菌制剂对铜绿微囊藻( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 和野生水华藻的影响。通过研究得 到以下结论： ( 1 ) 一定浓度的硝化细菌制剂能够抑制铜绿微囊藻的生长，且随硝化细菌 制剂浓度的升高，抑制作用逐渐增强。分别投j j h l 0 8 c e l l s m l 和1 0 9 c e u s m l 的硝化 细菌制剂于铜绿微囊藻液中，培养1 0 d 后，藻细胞密度与同期对照相比分别下降 1 2 5 和1 5 0 ；藻的初始浓度对抑制作用有一定影响，藻初始浓度越大，抑制 作用越小。 ( 2 ) 不同环境条件( 温度、光照、p h 值、盐度和d o ) 下硝化细菌制剂对 铜绿微囊藻的抑制作用存在差异。较高温度下，抑制作用较小；低强度光照能使 抑制作用增强，5 0 0 1 u x 条件下菌藻共培养1 0 d 后，处理组( 1 0 8 c e l l s m l ) 的藻细胞 密度与同期对照相比下降了1 7 2 ；较高d o 和偏碱性条件下，抑制作用较小； 高盐度下无抑制作用。 ( 3 ) 投加硝化细菌制剂可以对水华水体d o 含量、浊度及c h l a 含量等产生 影响，且菌体浓度不同，产生的影响也存在差异。投加1 0 7 c e l l s m l 和1 0 8 c e l l s m l 硝化细菌制剂后，水体变清澈，浊度和c h l a 含量均降低，且菌体浓度越大，效 果越明显。加入1 0 9 c e l l s m l 硝化细菌制剂后，由于水体清澈导致阳光射入，从 而促进了藻的生长，d o 浓度明显高于对照相。 ( 4 ) 硝化细菌制剂对铜绿微囊藻的抑制作用方式为间接作用。产生抑制作 用的因子为硝化细菌分泌的胞外物质或硝化作用的中间产物，且抑藻因子热稳定 性差。 关键词：硝化细菌制剂；水华；藻类；铜绿微囊藻；抑制作用 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t b a c t e r i aa n da l g ap a r t i c i p a t ei nt h en u t r i e n tr e c y c l i n ga n dm a t e r i a lc i r c u l a t i o ni n a q u a t i ce c o s y s t e m s t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c t e r i aa n da l g ai sm e a n i n g f u l t oa d j u s tt h ea q u a t i ce c o s y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c t so fn i t r i f y i n gb a c t e r i a p r e p a r a t i o no nt h eg r o w t ho fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s aa n dw i l da l g ai n c o c u l t u r r e s y s t e m t h er e s u l t so f t h ei n v e s t i g a t i o nw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) ac e r t a i nc o n c e n t r a t i o no fn i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o nc o u l di n h i b i tt h e g r o w t ho fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a a n dt h ei n h i b i t i o ng r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t ht h e c o n c e n t r a t i o no fn i t r i f y i n gb a c t e r i c ap r e p a r a t i o ni n c r e a s i n g t h ea l g a lb i o m a s so ft h e t r e a t m e n t g r o u p s ( 1 0 8 c e l l s m l 1 0 9 c e l l s m l ) d e c r e a s e db y 1 2 5 a n d15 o s e p a r a t e l yc o m p a r e d w i t h t h es a m ep e r i o dc o n t r o la f t e rt e nd a y s ；t h ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fa l g ac o u l da f f e c tt h ei n h i b i t i o n t h eh i g h e rt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n o fa l g a ，t h es m a l l e rt h ei n h i b i t i o n ( 2 ) s o m ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ( c u l t u r i n gt e m p e r a t u r e ，l i g h t ，p ho fc u l t u r e m e d i u m ，s a l i n i t ya n dd i s s o l v e do x y g e n ) c o u l da f f e c tt h ei n h i b i t i n ge f f e c t si nd i f f e r e n t d e g r e e t h ei n h i b i t i o nw a sl o wu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ；l o w - i n t e n s i t yl i g h te n h a n c e d t h ei n h i b i t i o n t h ea l g a lb i o m a s s ( 10 8 c e l l s m l ) d e c r e a s e db y17 2 c o m p a r e dw i t h t h es a m ep e r i o dc o n t r o la f t e rt e nd a y su n d e r5 0 0 1 u x ；t h ei n h i b i t i o nw a sl o wu n d e r s l i 曲t l ya l k a l i n ec o n d i t i o no rh i g hd i s s o l v e do x y g e n ；t h e r ew a sn oi n h i b i t i o nu n d e r h i g hs a l i n i t y ( 3 ) n i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o nh a da c e r t a i ni m p a c to nt h ed i s s o l v e do x y g e n ， t u r b i d i t ya n dc h l ao fw a t e rb l o o m c o n c e n t r a t i o n so fn i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o n c o u l dd it i e rt h ee f f e c t s t h ew a t e rb e c a m ec l e a r , a n dt h et u r b i d i t ya n dc h l ab o t h d e c r e a s e da f t e ra d d i n gn i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o no f10 7 c e l l s m la n dl0 5 c e l l s m l t h ee f f e c t sw e r em u c hb e t t e ru n d e rh i g hc o n c e n t r a t i o n so fn i t r i f y i n gb a c t e r i c a ；t h e w a t e rb e c a m ec l e a ra f t e ra d d i n gn i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o no f10 y c e l l s m l t h e r e w a sm u c hl i g h ti n t ot h ew a t e rp r o m o t i n gt h eg r o w t ho fa l g a t h ed i s s o l v e do x y g e n w a sa l s oh i g h e rt h a nt h ec o n t r o lo b v i o u s l y ( 4 ) n i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o na f f e c t st h eg r o w t ho fm i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a i ni n d i r e c tm o d e t h ei n h i b i t i n gf a c t o rm a yb et h ee x t r a c e l l u l a rm a t e r i a lo fn i t r i f y i n g b a c t e r i ao rt h ei n t e r m e d i a t eo fn i t r i f i c a t i o n a n dt h ei n h i b i t i n gf a c t o rh a sp o o rt h e r m a l s t a b i l i t y i i k e yw o r d s ：n i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o n ；w a t e r b l o o m ；a l g a ；m i c r o c y s t i s a e r u g i n o s a ；i n h i b i t i n ge f f e c t i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 本研究来源于水利部公益性行业科研专项( 2 0 0 9 0 1 0 6 3 ) 和青岛市科技计划项 目( 0 7 2 3 13 - j c h ) 。 1 2 前言 在湖泊( 水库) 生态系统中，细菌和藻类是广泛存在的生物种类，它们作为 湖泊( 水库) 生态系统必不可少的一部分，共同参与生态系统的构建，对水生态 系统的营养再生和物质循环有着重要的作用。藻类生境中聚集着大量的细菌，细 菌本身的种群多样性、生态功能多样性和遗传多样性等特点，以及同藻类的相互 作用及选择，可形成具有独特结构与功能的细菌群落。细菌和藻类之间存在着复 杂的关系，它们之间既有营养相互关系，也会抑制对方生长、竞争营养和空问。 细菌和藻类之问的关系在控制细菌和藻类的种群演替和种群动力学中起着重要 的作用。 近年来，由于工业废水和生活污水的大量排放，生态环境问题发生了深刻的 变化。在正常的湖泊( 水库) 中，初级生产力相互作用相互制约，形成一个良性 的初级生产力系统。一旦该平衡遭到破坏，其初级生产力必然大暴发，呈现水华 现象。水华暴发是水体富营养化的体现，同时又与水体中各生物群落的相互作用 有关。水华会使水生态系统中的物质循环和能量流动发生障碍，导致整个生态系 统失衡。水华的发生可改变细菌与藻类之间的相互作用，从而影响微环境及全球 环境中的物质循环和能量流动。 硝化细菌在自然界氮素循环中起着非常重要的作用。硝化细菌能够通过硝化 作用把氨氮转化为亚硝酸盐，再进一步把亚硝酸盐转化为硝酸盐，是含氮物质彻 底矿化的重要步骤【2 训，在生态系统中有着重要的作用。 青岛理工大学工学硕学位论文 1 3 湖泊( 水库) 中的微生物生态 1 3 1 湖泊( 水库) 生态系统 在湖泊( 水库) 生态系统中，有水生植物、浮游生物、鱼虾以及各种微生物。 浮游植物在太阳光的作用下，通过光合作用，制造有机物，为动物提供食物和呼 吸所需要的0 2 。动物的排泄物及尸体经微生物分解，为水生植物提供生长所需 要的营养元素。湖泊生态系统示意图如图1 1 所示。 一，孑g 图1 1 湖泊生态系统示意图f 5 】 f i g 1 - 1e c o s y s t e md i a g r a mo fl a k e 1 3 2 藻类的生态学功能 浮游藻类是水生态系统的主要初级生产者，它能通过光合作用吸收c 0 2 释 放出0 2 ，有利于水生动物的生长和繁殖。具体的生态学功能有： ( 1 ) 提供0 2 藻类在水生态系统的碳循环中起着巨大的作用，大气中的c 0 2 通过藻类的 光合作用同化成有机碳，同时放出0 2 ，藻类在调节c 0 2 浓度水平中起着非常重 要的作用。藻类主要是通过叶绿素a 及其它色素的共同作用将无机碳转化为有机 物质。藻类的种类和组成等，影响着整个湖泊的物质循环和能量转换，直接或间 接地影响着其他水生生物的生长和繁殖。 ( 2 ) 提供饵料 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 藻类含有丰富的蛋白质、维生素及多种其他营养物质，可通过其它的生物间 接地为人类提供蛋白源等物质，绝大多数的藻类都是各种湖泊生物良好的饵料。 某些藻类经固定化后可利用其自身的机能产生氨、氢和谷酞胺酸等。 ( 3 ) 物质转化 藻类可以通过新陈代谢i 吸收利用水体中的营养盐并将其合成为自身的有机 物，还可以促进水体中的一些有机物的消耗或分解，如某些藻细胞可以向水体中 分泌磷酸酶，使有机磷分解为无机磷。藻类还可以吸收利用水体中一些小分子有 机物，如有机酸、氨基酸等。 1 3 3 水生态系统中的藻菌关系 藻类作为水生态系统的初级生产力影响着整个生态系统的稳定，其种类组 成、数量分布、群落结构和多样性的生态学特征是评价水环境质量的重要标准。 水体中细菌、各种营养成分及物理化学因子都会影响藻类的生长。在水生态系统 中，藻类与细菌关系密切，藻细胞在新陈代谢过程中会向周围环境释放许多物质， 如肽、脂、碳水化合物、维生素、有机磷酸盐，以及生长抑制和促进因子等，这 些有机物质可以被周围细菌有效地摄取利用，为藻类提供了生长所需的营养盐及 生长因子的同时，还调节了藻类的生长环境。此外，细菌与藻类之间也存在着拮 抗作用，如藻类能产生抑制细菌生长的物质，细菌也能抑制藻类的生长，甚至裂 解藻细胞，这能有效地调节和维持水生态系统的平衡。因此藻菌关系研究对于探 索水生态系统的物质循环和能量流动有重要意义。目前，人们对水生态系统中细 菌与藻类关系的认识正在逐渐深入。 ( 1 ) 细菌与藻类互利共生 细菌作为水生态系统中的重要分解者，参与水体中的物质转化和分解过程， 是生物化学循环的一个重要环节。水体中的氨化细菌能够将含氮有机物质分解为 n m + - n ，n 时- n 再经过硝化细菌的硝化作用转化为n 0 3 - n ，为藻类提供无机氮 源：f e 3 + 可以经过细菌的作用转化成溶解度较高的f e ”，为藻类生长提供所需的 铁元素；水体中存在着大量的维生素产生菌，它们对藻类的生长起着非常重要的 作用；某些细菌能产生特定的有机物质，如胞外糖肽或胞内磷脂，能促进藻类的 生长。此外，过量的溶解氰会抑制藻细胞的光合作用，从而阻碍藻的生长，细菌 r 青岛理工大学工学硕士学位论文 对藻细胞周围环境中高浓度溶解氧的利用，为藻的生长提供了一个还原性较强的 生长环境。细菌与藻类之间的共生关系如图1 2 所示。 图1 - 2 细菌与藻类的共生关系【6 1 f i g 1 - 2t h es y m b i o t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c t e r i aa n da l g a ( 2 ) 细菌与藻类竞争营养物质 有些细菌可通过c 、n 、p 、k 等物质与藻类产生直接或间接的联系。如芽 孢杆菌在生长过程中需要氮磷等物质，从而会使水体中的氮磷含量减少，以至于 无法满足藻类生长的需要，同时芽孢杆菌还能以某些藻体作为碳源而加以利用 【7 1 o ( 3 ) 细菌形成菌胶膜 当亚硝酸菌、腐败菌、大肠杆菌、枯草杆菌等大量出现时，单细胞藻类会产 生沉淀，并且颜色变黄，此过程中同时有化学变化发生，并散发出氨臭味。这些 细菌的大量出现还会在静止的水面集结形成菌胶膜，阻碍光线透过和气体交换， 致使藻类死亡。 ( 4 ) 细菌释放杀藻物质 细菌可通过释放特异性或非特异性的胞外物质，通过阻断呼吸链、抑制细胞 壁合成或抑制孢子形成等方面，从而有效的抑制藻细胞的生长，甚至杀灭藻细胞。 目日订报道的细菌杀藻物质主要有抗生素、多肽类物质以及蛋白质。研究表明假单 胞菌( p s e u d o m o n a s ) 、蛭弧菌( b d e l l o v i b r i o ) 、杆菌( b a c i l l u s ) 干i 黄杆菌( f l a v o b a c t e r i u m s p ) 可分泌有毒物质释放于水环境中，抑制硅藻和甲藻等藻类的生长8 1 。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 水华 1 4 1 水华成因 水华( w a t e rb l o o m ) 一般指受到污染的河流、池塘、湖泊、水库等水体中的氮 磷等营养物质大量增加，致使水体达到富营养化状态，在一定的温度、光照等条 件下，某些藻类发生爆发性增殖，使水体颜色发生明显的变化，并在水面形成绿 色或其他颜色的藻类漂浮物的现象1 9 1 。研究发现，当水体中氮、磷的浓度超过 0 2 m g l 和0 0 2 m g l 时，就会促使藻类大量繁殖，产生水华【l o l 。目前，世界上 湖泊水华暴发的频率与严重程度都呈现迅猛增长的趋势，发生的地点遍布全球各 地。 常见的水华藻类有蓝藻门中的微囊藻( m i c r o c y s t i s ) 、鱼腥藻( a n a b a e n a ) 、颤藻 ( o s c i l l a t o r i a ) 、平裂藻( m e r i s m o p e d i a ) 、束丝藻( a p h a n i z o m e n o n ) 、阿氏项圈藻 ( a n a b a e n o p s 括) 和螺旋藻( s p i r u l i n a ) 等，还有裸藻门中的裸藻( e u g l e n a ) ，绿藻门中 的衣藻( c 乃肠岫垅d 即伽) 以及硅藻门中的小环藻( c y c l o t e l l a ) 等。不同门类的水华 藻所含的光合色素不同，导致引起的水色变化不同。形成水华的微藻种类可能是 1 2 种，也可能是多种，但其中最占优势的水华藻决定着水华水体的颜色。水华 的发生是由于整个生态系统的失衡引起的，不但决定于藻类生长的营养物质条 件，而且决定于其生长所在的生态环境条件。由于区域地理特性、自然气候条件、 水生态系统和污染特性等的差异，不同的水体表现出来的水华症状有所不同。 当大量的氮磷等营养物质排入水体后，为生态系统中的物种提供了超量的食 物和营养，使整个生物群落的各物种繁殖加快，但是支持物质循环的环境条件没 有随着物质总量的增加而改变。对于一个确定的水体环境，藻类数量的某一个值 对应了水体的某一状态，藻类的生长与这些状态值密切相关，藻类数量的变化是 这些状态值综合作用的结果。其中d o 对生物生长的影响很大，d o 不足很难满足 分解者生命活动的需要，水体转化为缺氧环境，水质变差，水体透明度降低。沉 水植物得不到足够的光照而死亡，生产者逐渐以藻类为主。d o 下降也会使水体 中消费者的生长繁殖受到限制，甚至死亡。失去消费者限制的藻类等初级生产者 大量繁殖，从而发生水华。 在水华的起始阶段，能引发水华的藻类在物理化学条件适宜的水体环境中生 5 青岛理工大学工学硕十学位论文 长繁殖，达到一定的种群数量，并且大量增箔，这些一定数量的种群便成为优势 种群。当环境条件发生变化达到优势种群生长繁嫩的最适范围时，即可进入指数 生长期，并很快发展形成肉眼可见的水华。水华形成后可维持一段时间，时间的 长短取决于环境条件对水华藻的影响程度。一段时间后，大量的水华藻死亡，产 生有害物质如h 2 s ，n h 3 等，对水生态系统造成毒害作用。 1 4 2 水华的危害 水华是水环境受到严重污染的表现，而水华的发生又进一步加剧了水体污 染。水华对水体生态系统的结构、功能以及生态资源的可持续开发和利用都产生 了深远的影响，已经引起了广泛的关注。水华的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 破坏水体生态系统 j 下常的水生态系统处于一种相互制约的动念平衡。水华发生时，表层的密集 藻类使阳光难以射入水体深层，所以深层水体中的光合作用明显减弱，使d o 来 源减少。藻类死亡后向水体底部沉积，腐烂分解，也会消耗深层水体大量的d o ， 甚至使深层水体的d o 消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。当藻类 过度密集而死亡腐解时，又使水体大面积缺氧，破坏了原有生态系统的结构与功 能。 ( 2 ) 损害水产养殖业 水华发生时，主要通过以下方式损害水产养殖业：鱼虾贝类吃了有毒藻类后 发生中毒死亡；藻类分泌粘液或死亡分解后产生粘液，附着在鱼虾贝类的鳃上， 使鳃丝气体交换发生障碍，最终使其因缺少0 2 窒息死亡；藻类大量繁殖，使水 体中d o 急剧减少，鱼虾贝类难以吸收0 2 ，导致大批量窒息死亡。水华的发生 减少了渔业资源的种类和数量，并影响其质量。 ( 3 ) 危害人体健康 位于江河上游的湖泊、水库等水体如果发生有害水华，藻类释放的毒素会污 染水源，导致水质下降，影响下游城乡居民的生活用水质量。研究表明，世界各 地2 5 7 0 的蓝藻水华可产生毒素【1 1 1 ，其中微囊藻属( m i c r o c y s t i s ) 、鱼腥藻属 口n a b a e n a ) 、束丝藻属( a p h a n i z o m e n o n ) 、节球藻属( n o d u l a r i a ) 和颤藻属 ( o s c i l l a t o r i a ) 是淡水中常见的有一定危害的藻类。如铜绿微囊藻产生的微囊藻毒 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 素( m i c r o e y s t i n sm c ) 是一类分布最广、危害最严重的藻毒素【1 2 l ，经常暴露于含有 m c 的水体中，会引发皮肤病、肝炎甚至肝癌【1 3 1 。 ( 4 ) 影响水体景观和水质 水华发生的水体表层悬浮着密集的藻类，在水面形成一层泡沫，而且死亡的 浮游生物和鱼类漂浮在水面上，使干净、清澈、透明的水体变得色泽混杂，弗发 出臭味，极大地降低了景观的使用价值。水华严重的水体透明度仅有o 2 米，水 体感观性状大大下降。水色和透明度等感官性状的恶化，使水体丧失了它应有的 美学价值。在水华水体中，有些水华藻类能产生异味，目前已知产生异味的藻类 约有5 0 种，其中比较常见的有1 0 余种，如表1 1 所示。 表1 1 产生异昧的常见藻类l l 4 1 t a b l ei 一1t h ef a m i l i a ra l g ar e l e a s i n go d o r o u sc o m p o u n d s ( 5 ) 影响净水工艺 水华发生时，藻类等浮游生物大量繁殖，由于浮游生物体内具有油质，呈悬 浮状态，因此沉淀困难。很多蓝绿藻还会分泌戮液，造成配水管网中出现“后絮 凝 现象，还会堵塞滤池，严重的能在滤料表面形成薄膜，极大程度的缩短了过 滤周期15 1 。此外，藻类光合反应产生的0 2 会堵塞滤池，使运行周期缩短，产水 量下降，反冲水量增加，从而增加运行成本。穿透滤池而进入管网的藻类可能成 为微生物繁殖的基质，细菌等大量生长，严重时会堵塞管网。细菌再繁殖还会使 管网水浊度、色度上升，细菌总数增加等，造成配水系统腐蚀和结垢加速，使管 网服务年限缩短。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 3 铜绿微囊藻 。铜绿微囊藻( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 是我国富营养化水体中的水华优势种， 也是国外一些湖泊和水库中的常见藻种【1 6 】。铜绿微囊藻属于蓝藻门( 咖门叩缸恸) 色球藻科( c h r o c o c c a c e a e ) 微囊藻属( m i c r o c y s t i s ) ，广泛存在于水生态系统巾，为 原核微生物，细胞球形或近球形，直径3 7 “m ，蓝绿色【1 7 l 。 铜绿微囊藻在春季及夏季生长茂盛，群体常有几十个至上千个单体细胞组 成。群体胶被无色透明，一般具有伪空胞。当伪空胞达到一定数量时，它所产生 的浮力大于铜绿微囊藻本身的重力，从而具有上浮性。铜绿微囊藻可通过控制伪 空胞的形成和破裂来调节藻在水体中的位置，还可通过改变藻体重力物质如碳水 化合物来改变自身的上浮性，上浮性改变后，铜绿微囊藻在水体中的垂直分布也 会发生变化。铜绿微囊藻还可通过向细胞外分泌多糖或其他粘性物质形成胶鞘， 通过增大藻细胞与水体间的粘滞系数，进而影响藻细胞的上浮和垂直运动。胶鞘 的形成为微囊藻提供了天然的屏障，使多个细胞聚集形成群体，抵抗了外界的不 良环境【1 8 ，1 9 1 。在环境条件适宜时，它能快速的生长，当达到一定的生物量时就在 水体的表面大量聚集，形成微囊藻水华。 影响微囊藻生长的因素主要包括： ( 1 ) 温度 微囊藻属喜温生物，多生长在湖泊池塘中，夏季繁殖速度极快，生长旺盛， 很容易形成水体中的绝对优势种，从而抑制其它藻类的正常生长。其最适温度为 3 0 3 5 ，高于其他的藻类。水库中的围隔实验证实当水温为2 6 时最适宜于微 囊藻的聚集、上浮并形成水华【2 0 1 。水温下降时，低温环境使微囊藻的繁殖速率 下降，衰亡速率增加。 ( 2 ) 光照 微囊藻除含有叶绿素a 以外，还含有藻蓝素和别藻蓝素，这些使得微囊藻可 以利用别的藻类不能利用的诸如绿、黄和橙色波段的光，即使在弱光下微囊藻也 能较好的生长。光照比较强时，微囊藻能增加细胞内类胡萝卜素的含量，使藻细 胞对强光的耐受性增强【2 1 1 。 ( 3 ) d o 微囊藻的生长、发育以及水体自净能力等，均受水体d o 含量的影响，因此 8 青岛理工大学工学硕土学位论文 它是水质评价的重要指标。水温、湖泊生物以及湖泊中还原性物质或有机物会影 响水体中d o 的含量。 ( 4 ) 水文气象因子 风力作用、波浪扰动以及气候状况对微囊藻的生长也有一定的影响。风浪会 明显影响微囊藻的水平分布和垂直分布，在浅水湖泊中，风浪作用能使湖底的营 养盐释放。有研究表明，3 i m s 以上的风速对微囊藻表层水华有明显的消减作用 1 2 2 j 。但是，国外也有报道称蓝藻水华多出现在温暖且风平浪静的天气f 2 引。 ( 5 ) 营养盐 由于n 、p 等无机营养物质是藻类生长的必需营养元素，因此水体中n 、p 等营养物质的过量增加是发生水华现象的重要物质基础【2 4 筇1 。研究发现，当水体 中n 、p 的浓度超过0 2 m g l 和0 0 2 m g l 时，就会促使藻类大量繁殖，从而产 生水华。在适宜的光照、温度、p h 值及充足的营养等条件下，水体中的藻类通 过光合作用合成自身的原生质，反应式如下： 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 3 + h p 0 4 2 + 1 2 2 h 2 0 + 1 8 h + + 能量+ 能量元素 - - - , c j 0 4 h 2 6 3 n 1 6 p + 1 3 8 0 2 反应式的化学计量关系反应了李比特最小值定律( l i e b i g l a wo ft h e m i n i m u m ) 。藻类的生产量主要取决于水体中磷的供应量 2 6 , 2 7 。此外，藻类对不 同形态的营养盐的吸收和利用情况是不同的，营养盐的形态对水华的发生也有重 要的影响。在大型湖泊中，同时还应注意到营养盐自身的循环效应和沉积物的内 源性营养盐的释放1 2 8 。0 1 。此外，微量营养元素( 铁、钼等) 和稀土元素( 镧、钇 等) 对水华藻类的生长也有一定影l 妒。这些微量元素既可以单独起作用，也 可以与氮或磷共同限制藻类的增长。 ( 6 ) 他感物质 多种微囊藻能释放毒素、生长抑制剂等化学物质，这些化学物质能影响其他 藻类或者浮游动物的生长。研究表明在竞争或有捕食压力的情况下，微囊藻产生 的毒素会有所增力i t 3 2 , 3 3 1 。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 5 硝化细菌及其作用 1 5 1 硝化细菌概述 硝化细菌( n i t r i f y i n gb a c t e r i a ) 是化能无机自养型微生物，以c 0 2 为唯一碳源而 产生有机物质，在自然界氮素循环中起着非常重要的作用。它们所进行的硝化作 用能把氨氮转化为亚硝酸盐，再把亚硝酸盐转化为硝酸盐。将n h 3 氧化为n 0 3 。 的过程是氨氧化菌和亚硝酸氧化菌两类细菌连续作用的结果。氨氧化菌把氨氮转 化为亚硝酸盐，亚硝酸氧化菌再将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。这两类细菌都属于硝 化杆菌科。硝化作用的代谢途径如图1 3 所示。 图1 - 3 硝化作用的代谢途径f 3 4 i f i g 1 - 3m e t a b o l i t i cp a t h w a yo fn i t r i f i c a t i o n 氨单加氧酶a m m o n i am o n o o x y g e n a s e ，a m o ；羟胺氧化酶- - h y d r o x y l a m i n eo x i d a s e ，h a o ： 细胞色素c 还原酶- - h y d r o x y l a m i n e c y t o c h r o m ec r e d u c t a s e ：亚硝酸盐氧还酶卅i t r i t e o x i d o r e d u c t a s e ，n o r 硝化细菌在自然界的氮素循环中起着非常重要的作用( 图1 4 ) ，是氮的生物 地球化学循环中不可或缺的一个环节。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 硝化作用 好氧菌反硝化作用 图1 4 自然界的氮素循环1 3 5 l f i g 14 t h en i t r o g e nc y c l ei nn a t u r e 1 5 2 硝化细菌的生物学特性 硝化细菌是化能自养菌类群中的主要生理类群之一，其主要生物学特性如 下： ( 1 ) 硝化细菌的大多数种类是专一性的化能自养菌，除了维氏硝化杆菌中 的某些菌株进行兼性自养生长外，其它菌株在有机培养基上几乎都不能生长； ( 2 ) 硝化细菌生长缓慢。因为硝化细菌由自身合成糖类，这一过程需要相 当长的时间，平均世代时间在1 0 h 以上； ( 3 ) 是一种专性好气菌，以0 2 为最终的电子受体； ( 4 ) 同一生理亚群的种类虽然生理学上具有共同性，但细胞形态多种多样， 有球形、杆形、螺旋形等； ( 5 ) 大多数种类的繁殖方式为无形的二分裂方式； ( 6 ) 革兰氏阴性，没有芽孢； ( 7 ) 大多数硝化细菌具有复杂的囊泡状、薄膜状、管状膜内褶结构； ( 8 ) 有些属分布较广，有些属则分布较局限。如硝化球菌和硝化刺菌属的 种仅分布于海水中3 6 1 ，而大多数属普遍地存在于土壤或淡水中； ( 9 ) 对温度、d o 、p l i 值等外界因素的变化很敏感，外界环境对其影响很 大。 青岛理工大学1 = 学硕：_ i 学位论文 i 5 3 环境因素对硝化细菌的影响 由于硝化细菌化能自养的特殊性，导致硝化细菌易受外界因素的影响，其影 响因素主要有以下几个： ( 1 ) 溶解氧( d o ) 由于硝化细菌是好氧菌，硝化反应过程中需要0 2 ，所以d o 的浓度会影响 硝化反应的速度和硝化细菌的生长速度。研究认为硝化过程的d o 浓度一般维持 在1 0 m g l 2 0 m g l 比较好，过高和过低的d o 对硝化过程是不利的。低d o 会 抑硝化细菌的生长和硝化细菌的活性，而且还会破坏氨氧化菌和哑硝酸氧化菌之 问的生化平衡。此外，氨氧化菌在低d o 的条件下，会产生高能态的中间产物一 羟氨，羟氨的存在会破坏甚至中止亚硝酸氧化菌的活性，缩短硝化反应的历程， 导致短程硝化。d o 过高则会对反硝化细菌产生抑制作用，由硝化细菌产生的硝 酸盐便不能除去。 ( 2 ) 温度 温度会影响硝化细菌的生长和硝化速率，因为温度能影l 响硝化细菌的增殖速 度和活性。硝化细菌最适宜的温度范围为2 0 3 0 。温度高于3 5 时，会破坏硝 化细菌的酶系，硝化细菌能够承受的最高温度上限为4 0 c1 3 7 1 。温度低于1 0 c 以 下时，硝化细菌的生长及硝化作用会显著减慢。因此，在任何情况下，都应使硝 化反应器的温度保持稳定，防止极端温度和瞬变温度给硝化作用带来不良的影 响。 ( 3 ) p h 值 硝化作用的过程也会受酸碱度的影响。硝化细菌喜欢偏微碱性的环境，其适 宜的p h 值范围为7 5 , - , - , 8 5 。亚硝化细菌和硝化细菌适宜的p h 值略有不同。p h 7 0 时，亚硝酸细菌生长变慢，p h 3 0 。由 此可见，硝化细菌制剂对铜绿微囊藻的抑制作用在一定温度范围内基本随着温度 的升高而减小，在2 0 c 时抑制作用最大。温度对酶的活性、营养物质的吸收利用 效率和细胞分裂周期等诸多方面都存在不同程度的影响，因此使得抑制作用与环 境温度密切相关。2 0 c 时，铜绿微囊藻生长缓慢，藻生物量少，受硝化细菌制剂 的影响较大，与此同时，硝化细菌保持着相对较高的繁殖率，这两个条件使得硝 化细菌制剂对铜绿微囊藻的抑制作用增强；3 0 * ( 2 时，铜绿微囊藻生长较快，藻细 胞数目呈现指数增长，即便加入硝化细菌制剂也未表现出明显的抑制作用。 3 0 o 加 1 2 佃 5 (1e，s=8，or一器o盔 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 5 2 不同光照条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 实验设定5 0 0 1 u x 、2 0 0 0 1 u x 、3 0 0 0 1 u x 三个光照强度水平，研究在不同光照条 件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响，实验结果如图3 2 所示。 5 0 0 0 02 4681 0 t i m e ( d ) 图3 - 2 不同光照条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 f i g 3 - 2e f f e c t so fn i t r i l y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o no nt h eg r o w t ho f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s au n d e rd i f f e r e n tl i g h t 由图3 2 可以看出，光照条件能影响硝化细菌制剂对铜绿微囊藻的抑制作用。 5 0 0 1 u x 时，1 0 d 后处理组与同期对照相比藻细胞密度下降了1 7 2 ，硝化细菌制 剂对铜绿微囊藻的生长表现出了较大的抑制作用，这可能是由于低强度光照使铜 绿微囊藻生长速度变慢，而硝化细菌在低光照条件下仍然能够迅速生长繁殖，进 而对铜绿微囊藻表现出较强的抑制作用；2 0 0 0 1 u x 时，1 0 d 后处理组与同期对照 相比藻细胞密度下降了1 1 9 ；3 0 0 0 1 u x 时，l o d 后处理组与同期对照相比藻细胞 密度仅下降了3 9 。由此可以看出，在较强光照下，硝化细菌制剂对铜绿微囊 藻的抑制作用较弱，这是因为在强光照条件下，铜绿微囊藻本身生长状况良好， 因此表现出的抑制作用较弱。刘玉生等唧】研究表明，3 0 0 0 1 u x 是铜绿微囊藻最适 宜的培养光照。e i n h e l l i g 研究发现当温度的高低与光强度接近于作物生长的最适 条件时，化感效应有减小的趋势【6 。 3 5 3 不同p h 条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 实验设定6 0 、7 1 、8 0 三个初始p l l 水7 f ，研究在不同初始p i - i 条件下硝化 (1；畜=8blr-嚣meo丽 青岛理工大学工学硕十学位论文 细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响，实验结果如图3 3 所示。 32 0 0 0 e 矗 。8 1 5 0 0 o i1 0 0 0 母 e o 5 0 0 o 024681 0 图3 - 3 不同初始p h 条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 f i g 3 - 3e f f e c t so fn i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o no nt h eg r o w t ho f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s au n d e rd i f f e r e n ti n i t i a lp hv a l u e 由图3 3 可以看出，初始p h 为8 0 时，抑制作用很小，1 0 d 后处理组与同期 对照相比藻细胞密度仅下降了5 0 ，实验过程中铜绿微囊藻的生长甚至有时会 优于对照；初始p h 为7 1 时，1 0 d 后处理组与同期对照相比藻细胞密度下降了 1 2 1 ；初始p h 为6 0 时，整个生长过程生物量都不足很高，与同期刈照相比藻 细胞密度差别不大。 p h 值对硝化细菌的活性有很大影响，进而影响其对铜绿微囊藻的抑制作用。 由于硝化细菌适官中性至微碱性的环境，其生长的最佳p h 值范围为7 4 7 6 ，而 适宜铜绿微囊藻生长的最佳p h 值范围为8 。l 9 0 ，所以实验过程中当p h 值最有 利于铜绿微囊藻的生长时，硝化细菌繁殖能力相对较慢，因此抑制作用相对较弱； 而当p h 更有利于硝化细菌的生长时，硝化细菌繁殖旺盛，合成新物质的速度亦 较快，因此硝化细菌制剂对铜绿微囊藻的抑制作用相对增强；当p h 为6 0 时， 硝化细菌和铜绿微囊藻的生长均受到抑制，表现 的藻细胞密度显著减少，与同 期对照相比藻细胞密度差别不大。 3 5 4 不同盐度条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 实验设定0 2 、0 4 、o 8 三个盐度水平，研究在不同盐度条件下硝化细 3 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响，实验结果如图3 - 4 所示。 2 5 0 0 2 0 0 0 15 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o uz 4 b石 l u t i m e ( d ) 图3 0 不同盐度条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 f i g 3 4e f f e c t so fn i t r i f y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o no n t h eg r o w t ho f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s au n d e rd i f f e r e n ts a l i n i t y 由图3 - 4 可以看出，不同盐度条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 差别较大。盐度为0 2 时，l o d 后处理组与同期对照相比藻细胞密度下降了 1 2 4 ，硝化细菌制剂对铜绿微囊藻表现出了一定的抑制作用；盐度为0 4 和 o 8 时，l o d 后处理组与同期对照相比藻生物量基本相同，且均急剧减少，这是 因为过高的盐度影响了铜绿微囊藻细胞膜的正常功能，降低了藻细胞的代谢速率 1 6 2 ，从而使铜绿微囊藻的生物量表现出减少的趋势。过高的盐度也影响了硝化 细菌的代谢，从而使硝化细菌制剂对铜绿微囊藻的生长没有表现出一定的抑制作 用。 3 5 5 不同d o 条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 实验设定三个d o 水平，通过控制装藻量来控制锥形瓶中d o 的变化。研究 不同d o 条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响，实验结果如图3 5 所示。 一1e，s=8一-0i一田竹西go苗 青岛理工大学工学硕士学位论文 。 篆 雹 刍 己 强 舌 菌 2 5 0 0 2 0 0 0 5 0 0 0 02468 1 0 图3 5 不同d o 条件下硝化细菌制剂对铜绿微囊藻生长的影响 f i g 3 - 5e f f e c t so fn i t r i l y i n gb a c t e r i ap r e p a r a t i o no nt h eg r o w t ho f m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s au n d e rd i f f e r e n td i s s o l v e do x y g e n 由图3 5 可以看出，三种d o